第３８卷第ｌ２期 兵器装备工程学报 ２０１７年１２月 【航空和航海工程】 ｄｏｉ：１０．１１８０９／ｓｅｂｇｘｂ２０１７．１２．０５６ 水下爆破振动测试技术研究与应用 顾文彬 ，王振雄 ，刘建青 ，汤 鹏 ，徐景林 ，刘 欣 ，曹 涛 （陆军工程大学，南京２１０００７；２．９６８６３，河南洛阳４７１００３） 摘要：研制了一套可用于水底岩石振动监测的水下爆破振动测试系统，由自主采集终端、堵孔装置和上机位软件平 台组成。该测试系统可用于水底岩石中的振动监测，测试数据可靠有效，能够用于水底岩石地震波传播规律的研究 和对水底岩石爆破振动信号的分析研究。 关键词：水下爆破；爆破振动；振动测试；测试系统 本文引用格式：顾文彬，王振雄，刘建青，等．水下爆破振动测试技术研究与应用［Ｊ］．兵器装备工程学报，２０１７（１２）： ２５６—２６０． Ｃｉｔａｔｉｏｎ ｆｏｒｍａｔ：ＧＵ Ｗｅｎｂｉｎ，ＷＡＮＧ Ｚｈｅｎｘｉｏｎｇ，ＬＩＵ Ｊｉａｎｑｉｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｂｌａｓｔｉｎｇ Ｖｉ－ ｂｒａｔｉｏｎ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｒｄｎａｎｃｅ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１７（１２）：２５６—２６０． 中图分类号：ＴＤ２３５；ＴＪ６ 文献标识码：Ａ 文章编号：２０９６—２３０４（２０１７）１２—０２５６—０５ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｂｌａｓｔｉｎｇ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧＵ Ｗｅｎｂｉｎ ，ＷＡＮＧ Ｚｈｅｎｘｉｏｎｇ ，ＬＩＵ Ｊｉａｎｑｉｎｇ ， ＴＡＮＧ Ｐｅｎｇ ，ＸＵ Ｊｉｎｇｌｉｎ ，ＬＩＵ Ｘｉｎ ，ＣＡＯ Ｔａｏ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｆｉｅｌｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｒｍｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００７，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｔｈｅ Ｎｏ．９６８６３ Ｔｒｏｏｐ ｏｆ ＰＬＡ，Ｌｕｏｙａｎｇ ４７１００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｓｅｉｓｍｉｃ ｗａｖｅｓ ｉｎ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｒｏｃｋ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｒｏｃｋ，ａ ｓｅｔ ｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｒｏｃｋ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｅｏＵｅｅｔｉｏｎ ｔｅｒｍｉｎａｌ， ｐｌｕｇｇｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｕｐｐｅｒ ｐｌａｎｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｒｏｃｋ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｔｅｓｔ ｄａｔａ ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｗａｖｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｒｏｃｋｓ ａｎｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌｓ ｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｒｏｃｋ ｂｌａｓｔｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｂｌａｓｔｉｎｇ；ｂｌａｓｔｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｉｎｇ；ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ 随着海洋经济开发和大型军港码头建设的快速发展，水 下钻孔爆破技术应用日益广泛。于此同时水下钻孔爆破带 测试系统除了具有一般陆地爆破测振仪的通用性能外，还必 须防水、防腐蚀、抗噪声能力强，外观设计还应考虑水底设置 的可靠性和稳定性。但由于缺乏测试设备和技术，国内外关 于水下爆破震动监测与评估研究几乎还是空白 一 。因此， 来的危害效应控制研究也就越为重要，水下钻孔爆破的危害 效应包括水中冲击波，振动效应，但水下钻孔爆破引起的地 震波振幅大、频带宽，对海底光缆、隧道、油气管线及水中构 筑物等生命线工程和军事设施造成破坏性更大，振动危害效 应的评估很有必要。水底测试环境的特殊性使得水底振动 开展水底爆破震动测试技术研究与应用具有重要军事意义 和推广价值。结合实际情况，研发设计了将一体化自主采集 终端与上机平台分离的测试系统总体方案，自主采集终端包 收稿日期：２０１７—０８—２０；修回日期：２０１７—０９—１５ 作者简介：顾文彬（１９６１一），男，博士，博士生导师，主要从事兵器科学与技术方面研究。 通讯作者：王振雄（１９８７一），男，博士，主要从事毁伤效应研究。 顾文彬，等：水下爆破振动测试技术研究与应用 括振动传感器、控制采集系统、电源功能以及数据存储功能， ２５７ 电源控制电路和壳体等部分组成。其整体机械结构和元件 局示意【皋】如图２。根据技术指标和功能要求，提出了控制 电路总体方案方块图如［皋ｌ ３所示 水底振动采集终端 上机位平台可通过软件对采集数据进行读取、分析以及埘采 集终端进行参数设置 。。 ｌ 水下爆破震动测试系统研制 相对于陆地测试，水下爆破水底测振更为困难和复杂。 主要原因在于：传统的有线振动测试方法中传感器无法在水 底的岩石上设置，各联结环节防水处理复杂，传输电缆架设 固定不便。现有条件下的振动传感器无法做防水处理，为了 得到测点的真实地震信号，必须保证传感器与测点的可靠固 定，使传感器与水底岩体之间满足位移连续性条件，而自然 水底面多有乱石、淤泥且不平整，尚无有效的水下粘结剂，使 得传感器与水底岩面无法使可靠固定，由此设计研制出一种 可以在水下布设的水下爆破水底振动测试系统，提出一种在 水底岩石中钻浅孔，将传感器设置于孔底，采用堵孑Ｌ装置将 图１ 水下爆破震动测试系统 传感器与孑Ｌ底部的岩石固定接触，进而保障传感器可以采集 到准确的振动信号，可以满足水底测振的需求。水下爆破振 动测试系统如图１所示，主要由水底振动采集终端、堵孑Ｌ固 定装置和ｊ 机位软件三部分组成。 １．１水底振动采集终端 根据深水岩石钻孔爆破功能和性能要求，自主采集存储 振动测试系统主要由三向振动信号敏感器件、加速度积分电 路、数据信号采集电路、数据存储电路、数据出入输出电路、 图２整体机械结构和元件布局示意图 时钟 ＳＴＭ３２ ＤＳ１８Ｂ２０ Ｌ— 最小 最应 系统 网Ｉ．．．．．．．．．．．．．．．． 参数存储器卜 ＳＴＭ３２系统 卜回 图３控制电路总体方案 重合，说明此种设置方式监测爆破振动的方案可行，数据可 靠。水底测点设置振动测试系统的安装示意图如图５所示。 ｔ．２堵孔固定装置 为了克服现有的水下爆破水底振动预埋测试系统水底 固定难题，本实用新型提供一种水下堵孑Ｌ紧崮装置，用于实 现水底振动预埋测试系统的可靠固定，保证测试系统与被测 体之间的运动一致性 。图４为堵孑Ｌ装置与水下爆破测试 系统连接使用的示意图，测试系统与堵孔装置利用堵孔装置 带有螺纹的通孔，采用螺纹杆连接，两者在试验时可以成为 一个整体压入到岩石孔内，采集数据结束后，利用螺纹杆上 的拉环拉出堵孔装置与测试系统，再将堵孔装置拆下，就可 以对测试振动数据进行导出分析。堵孔装嚣的设计直接影 响，能否将测试系统稳定的设置与测试孔内。 对堵孔装置的使用进行了’现场试验，采用堵孔装置在孔 内和地表采用ＴＣ４８５０设置测点，共设置三组对比测点，对比 相同爆心距的测点得出采用堵孑Ｌ装置设置与地表测点的振 动速度时程曲线十分相似；采用ＦＦＴ分析所得的功率谱基本 图４堵孔装置与测试系统连接使用的示意图 ２５８ 兵器装备工程学报 【．浮漂；２．钢丝绳；３．堵孔器；４．采集终端；５．水；６．海底碎 石、淤泥等：７．岩石 图５ 测试系统水下安装示意图 １．３上机位软件平台 ｔ－位机软件运行于ＷＩＮＤＯＷＳ ＸＰ平台，打开软件之前， 先确认奉机ＩＰ地址为“１９２．１６８．０．３０”，否则本系统将无法 通过网络控制水下传感器系统，上机位平台工作流程图如图 ６所 设置网络连接） 启动软件 Ｎ／ ＼＋ １ ，．，’、＼ ，／ 、 ．：：： 一 置参数Ｉ 读取数据显示波形以及 振动主频和峰值数据 Ｉ清空采集数据 Ｉ 数据分析和处理 １ １１女‘正 女｝ ｌ，Ｉ 图６上位机平台工作流程 采集终端和 卜位机连接，如图７所示，双击运行本系统 ｊ启动后信息提示：服务器已启动，等待连接，本系统已经准 备隶虻绪，此时系统只有“历史数据”按钮开放，即此时只能浏 览历史数据。此时打开水下传感器电源，传感器将尝试连接 系统，连接成功后，系统首先读取水下传感器参数。此时，系 统其余功能伞部扣 开，包括系统自榆，设置参数，清空数据和 数据传输 根据测试系统的使用环境，提 将振动传感器、电源、数 仔贮等设置于外表经过硬化处理的硬锚圆柱壳体，在壳体 内将各元件集成，连接电路，安装设 板搜数据接［Ｊ，使其 可以通过上机位软件对振动传感器进千Ｊ．参数设 没嚣完成 后可以完成静默、启动采 以＾乏 动 机等功能．往采集结 束后还可以通过数据传输接¨将振动数据！ ｆ々争｝ 机位软 件，完成振动数据的传输和简 处删，利辟Ｊ 机ｆ 软件将振 动数据保存为通用的数 格 ，以便进・步埘振动信 进行 分析处理。 图７测试系统和上位机连接图 ２ 测振系统主要性能指标 自主采集存储振动传感器 嘤纰成部分有壳体、三向振 动速度传感器、数据采集及 储卡５１块、允Ｉ也电源、 线接ｕ、 工作状态显示面板和ｊ－机何等构成、除Ｊ 柯防水、防腐性 能外，其主要技术要求 丧１ 表１ 振动传感器主要技术指标 传感器直径 ９０ ｈｉｍ 传感器频响 ５～５００ Ｈｚ 测速范围 ０．１～３５ Ｃｒｌ Ｓ 采样率 ３ ｋＨｚ 采样分辨率 ｌ６ ｂｉｔ 触发方式 设定阈值自动触发 每段采集时间 不小于１０ Ｓ 存储段数 １０段 传输接口 ＴＣＰ／ＩＰ网络接口 工作温度 ２０℃～５０ 自主采集与存储爆破振动传感器的 要性能参数殳¨表２ 所示。所研制的自主采集 存储爆破抓动传感器硬 计算 机采集与数据处理系统，已经 实验 模拟振动试验台卜得 到验证和标定，经过陆地钻孔爆破试验｛ＩＩ！ｌｌ试 ｊ测试，捩得ｒ 爆破振动速度三维测试结果，进一少验证Ｊ ｒ１ 采集 ｊ存储 爆破振动传感器及其计算机分析数 处胛系统的准确悱、实 用性。通过水下密闭性测试，考核ｒ』ｆ惭封防水性能、长时 间和多次测振能力，以及１２ ｈ待机Ｉ 作能力 、结合陆地钻孑Ｌ 爆破工程，利用自主测试系统扶得振动 ・，验 ｒ自主测 顾文彬，等：水下爆破振动测试技术研究与应用 试系统在试验过程中的可靠性。 ２５９ 表２ 自主采集存储爆破振动传感器主要技术指标 通道 并行三通道 ０～ｌ０ Ｖ可调 可充电锂电池供电 ２ ５６０ Ｋ ３ ｋＨＺ Ｏ．０１ ＯＩＩ１，／Ｓ １６ ｂｉｔ ０．１～３５ ｅｍ／ｓ ５～５００ Ｈｚ 触发电平 供电方式 存储容量 采样率 记录精度 分辨率 量程 频响范围 图８试验区域现场图 时钟精度 传输方式 续航时间 记录方式 适应环境 记录时长 适应水深 ≤５秒／Ｒ ＵＳＢ ２．０ ｌ２ ｈ 连续触发，可记录ｌ０次 ２０～５Ｏ℃ 图９ 水下爆破振动测试系统 每次时长≥１０ Ｓ ５０ Ｉｎ 触发模式 尺寸大小 设定阈值自动触发 ９０ ｍｍ×３５０ ｍｌｎ ，０ ０ ３工程实践应用 依托宁波 浦港航道扩建二十万方炸礁工程，如图８。 采用水下爆破震动测试系统，如图９所示，将测点分布于水 底岩石。振动测试系统测得水底测点的速度时程曲线如图 ｌ０。通过试验获得大量水底岩石的不同测点爆破震动数据， Ｅ ．０ 一０ 验证ｒ水底振动测试系统的可靠性并为下一步水下钻孑Ｌ爆 破地震波传播规律的研究打下坚实基础。 采用水下爆破振动测试系统获得水底岩石的典型振动 数据如表３所示。 图ｌ０振动测试系统测得水底测点的速度时程曲线 表３水底测点的振动数据 ２６０ 兵器装备工程学报ｈｔｔｐ：／／ｓｃｂｇ．ｑｋｓ．ｃｑｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ／ ａｎｄ ｓｅｉｓｍｉｃ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｅａｄ ｓｅａ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎｓ ４ 结论 根据水下钻孔爆破水底岩石振动测试的技术特点，开展 水底振动测试系统的研究并成功研制一套可用于水底岩石 ［Ｊ］．Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ａｎｄ Ｓｈｏｃｋ Ｗａｖｅｓ，２００９，４５ （２）：２１８—２２９． ［５］ 王强，丘学林，赵明辉，黄海波，敖威．南海海底地震仪 异常数据的分析和处理［Ｊ］．地球物理学报，２０１６，５９ （３）：１１０２一ｌ１１２． 振动数据采集的水下爆破振动测试系统。采用圆柱形硬铝 壳体将振动感知、集成电路、供电电源以及数据存储等功能 集于一体的采集系统，成功解决水下仪器的防水防腐蚀等问 题，研制与之配套的上机软件，掌握可以采集水底岩石振动 数据的技术。对测试系统进行了实验室和爆破现场测试试 ［６］ＷＡＮＧ Ｘｉａｎｇｃｈｕｎ，ＸＩＡ Ｃｈａｎｇｌｉａｎｇ，ＬＩＵ Ｘｕｅｗｅｉ Ｌｉｕ．Ａ ｃａｓｅ ｓｔｕｄｙ：ｉｍａｇｉｎｇ ＯＢＳ ｍｕｌｔｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｓｅａ ］． Ｍａｒｉｎｅ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ．２０１２（１）． ［７］Ｄａｓｈ，Ｒａｎｊａｎ，Ｓｐｅｎｃｅ，ｅｔ ａ１．Ｗｉｄｅ—ｒｅａ ａｉｍａｇｉｎｇ ｆｒｏｍ ＯＢＳ ｍｕｌｔｉｐｌｅｓ［Ｍ］．Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，２００９． 验，证明测试系统的设置方式合理，采集数据可靠，为后续研 究水底岩石中地震波的传播规律提供技术支撑和经验参考。 ［８］ 王振雄．深水岩石钻孔爆破地震波传播特性研究［Ｄ］． 南京：理工大学，２０１７． ［９］ ＣＨＥＮ Ｊｉａｎｇｈａｉ，ＧＵ Ｗｅｎｂｉｎ，ＬＩＵ Ｊｉａｎｑｉｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｍｅａｓｕｒｅ— ｍｅｎｔ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｌｎｄ ａｎｄ ｗａｔａｅｒ ｂｏｔｔｏｍ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ ｉｎ— 参考文献： 孙锡杰，曲伟友，吴金仓．海上水下深孔控制爆破［Ｊ］． 爆破，２００６，２３（３）：７３—７５． ｄｕｃｅｄ １）ｙ ｕｎｄｅｗａｒｔｅｒ ｂｌａｓｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖｉｂｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒ— ｉｎｇ，２０１５，８（１７）：４０５７—４６４７． ［２］ 赵根．深水条件下围堰拆除爆破技术研究［Ｄ］．合肥：中 国科技大学，２００８． ［１０］ＧＵ Ｗｅｎ．ｂｉｎ，ＨＵ Ｙｕｎ—ｈａｏ，ＷＡＮＧ Ｚｈｅｎ—ｘｉｏｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｅｘ— ｐｅｒｉｍｅｎｔｌ ａａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｑｕｅｅ— ［３］ ＡＤＵＳＨＫＩＮ Ａ Ｖ．ＢＵＲＣＨＩＫ Ｖ Ｎ，ＧＯＮＣＨＡＲ０Ｖ Ａ Ｉ，ｅｔ ａ１．Ｓｅｉｓｍｉｃ，ｈｙｄｒｏ ａｃｏｕｓｔｉｃ ａｎｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｚｉｎｇ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ＵＢＶＴ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ａ ｈｏｌｅ—ｐｌｕｇ ｄｅｖｉｃｅ ［Ｃ］／／２６ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｖｉｂｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ． Ｓｔ．Ｐｅｔｅｒｓｂｕ唱，Ｒｕｓｓｉａ，２０１７． ｅｘｐｌｏｓｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ａｎｄ Ｓｈｏｃｋ Ｗａｖｅｓ， ２００４，４ｏ（６）：７ｏ７—７１３． ［４］ ＧＩ 几 ＲＭＡＮ Ｙ．Ｎｅａｒ—ｓｏｕｒｃｅ ａｕｄｉｏｖｉｓｕａｌ，ｈｙｄｒｏａｅｏｕｓｔｉｃ， （责任编辑杨继森） （上接第２１４页） ＩＥＥＥ Ｔｒｎｓａａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，２００７，４３（１）：２０７ ［８］ 谢伟平，王国波．移动荷载作用下轨道系统的动力特性 分析［Ｊ］．郑州大学学报，２００３，２４（１）：２４—２７． —２１３． ［１１］庄茁，张帆，岑松，等．ＡＢＡＱＵＳ非线性有限元分析 ［９］ 薛海中．新概念武器［Ｍ］．北京：航空工业出版社，２００９： ６７—７２． 与实例［Ｍ］．北京：科学出版社，２００５． （责任编辑杨继森） ［１０］ＪＥＲＯＭＥ Ｔ Ｔ，ＷＥＩ Ｓ．Ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｆｏ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｅｄ ｒａｉｌ ｇｕｎｓ ａｔｔｒｉｂｕｔｅｄ ｔｏ ｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅ／ｇｕｎ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ—ｔｈｅｏｒｙ［Ｊ］．
